DE102004050903A1

DE102004050903A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Inbetriebnahme sowie zum Regeln eines Antriebs

Info

Publication number: DE102004050903A1
Application number: DE200410050903
Authority: DE
Inventors: Alexander Kubik; Alexander Kühnlein; Stefan KÜNZEL; Theo Reichel; Elmar Dr. Schäfers; Chrisstoph Dr. Wurmthaler
Original assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Current assignee: Friedrich Alexander Univeritaet Erlangen Nuernberg FAU; Siemens AG
Priority date: 2004-10-19
Filing date: 2004-10-19
Publication date: 2006-02-23
Also published as: WO2006042842A1

Abstract

Die Inbetriebnahme einer Reglerstruktur soll vereinfacht werden. Hierzu ist der Einsatz eines parametrischen Streckenmodells vorgesehen, das in den Regler implementiert wird. Dabei wird vorzugsweise ein Streckenmodell höherer Ordnung ermittelt und daraus ein Regelalgorithmus niedrigerer Ordnung gewonnen. Erst dieser Regelalgorithmus niedrigerer Ordnung, der gegebenenfalls mit dem Streckenmodell höherer Ordnung optimiert werden kann, wird in den Regler implementiert.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Inbetriebnahme eines geregelten Antriebs durch Erstellen eines Streckenmodells, das das Frequenzverhalten einer Strecke wiedergibt, in die der Antrieb integriert ist, und Implementieren eines Regelalgorithmus auf der Basis des Streckenmodells. Darüber hinaus betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Regeln eines Antriebs durch Berücksichtigen eines Streckenmodells, das das Frequenzverhalten einer Strecke, in die der Antrieb integriert ist, wiedergibt, in mindestens einer Regelungskomponente.
Konventionelle Antriebsregelungen basieren auf nicht parametrischen Streckenmodellen, die beispielsweise auf Frequenzkennlinien beruhen. Dabei werden charakteristische Frequenzkennlinien der jeweiligen Regelungsstrecken aufgenommen und in dem Regelalgorithmus berücksichtigt.
Es erweist sich jedoch als schwierig, mit einem allein auf derartigen Frequenzkennlinien basierenden Regelungsalgorithmus beispielsweise kritische Eigenschwingungen zu dämpfen.

Steht ein direktes Messsystem zur Verfügung, mit dem eine Rückkopplung einer Messgröße der Werkzeugspitze möglich ist, so kann eine APC-Regelstruktur zur Anwendung kommen. Hinsichtlich derartiger APC-Regelstrukturen wird auf die Patentschrift DE 102 46 093 C1 verwiesen. Auch dieses Verfahren beruht auf Frequenzkennlinien, so dass nur unter bestimmten Voraussetzungen kritische Streckenpole hinreichend beeinflusst werden können. Eine gezielte Vorgabe von Polen des geregelten Systems (Eigenfrequenz und Dämpfung) ist nicht möglich.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht somit darin, die Dämpfung von Eigenfrequenzen bei Antriebsregelungen zu verbessern oder das dynamische Verhalten durch Polvorgabe gezielt zu beeinflussen.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Inbetriebnehmen eines geregelten Antriebs durch Erstellen eines Streckenmodells, das das Frequenzverhalten einer Strecke wiedergibt, in die der Antrieb integriert ist, und Implementieren eines Regelalgorithmus auf der Basis des Streckenmodells, wobei das Streckenmodell parametrisch ist und mindestens einer der Parameter des Streckenmodells verändert wird.

Weiterhin ist erfindungsgemäß vorgesehen ein Verfahren zum Regeln eines Antriebs durch Berücksichtigen eines Streckenmodells, das das Frequenzverhalten einer Strecke, in die der Antrieb integriert ist, wiedergibt, in mindestens einer Regelungskomponente, wobei das Streckenmodell parametrisch ist und mindestens einer der Parameter des Streckenmodells veränderbar ist.

Dementsprechend wird durch die Erfindung auch bereitgestellt eine Vorrichtung zum Inbetriebnehmen eines geregelten Antriebs mit einer Diagnoseeinrichtung zum Gewinnen von Streckendaten über das Frequenzverhalten einer Strecke, in die der Antrieb integrierbar ist, und einer Recheneinrichtung, mit der aus den Streckendaten automatisch oder teilautomatisch ein parametrisches Streckenmodell berechenbar ist.

Schließlich wird erfindungsgemäß vorgeschlagen eine Vorrichtung zum Regeln eines Antriebs mit mindestens einer Regelungskomponente, in der ein Streckenmodell, das das Frequenzverhalten einer Strecke, in die der Antrieb integrierbar ist, wiedergibt, berücksichtigbar ist, wobei das Streckenmodell parametrisch ist und in der mindestens einen Regelungskompo nente mindestens einer der Parameter des Streckenmodells veränderbar ist.

Vorzugsweise wird aus dem Streckenmodell ein implementierbarer Regelalgorithmus erstellt, der anschließend in seiner Komplexität, insbesondere seiner Ordnung, reduziert wird. Damit können für den Reglerentwurf die Eigenfrequenzen des Systems bzw. der Strecke exakt berücksichtigt werden. Für die Implementierung kann dann der Regelalgorithmus auf eine Komplexität bzw. Ordnung reduziert werden, die der Rechenleistung des Systems gerecht wird.

Insbesondere kann der Regelalgorithmus zunächst m-te Ordnung besitzen und mit Hilfe des Streckenmodells n-ter Ordnung zu einer Ordnung kleiner als m reduziert werden, wobei n > m ist. Dies bedeutet, dass ein modellbasiertes Regelverfahren zunächst aus einem Streckenmodell n-ter Ordnung einen Regelalgorithmus bestimmter Komplexität generiert. Die Komplexität lässt sich beispielsweise in der Ordnung m des Regelalgorithmus ausdrücken. Ist, wie oben angedeutet, aufgrund der Rechenleistung eine Realisierung des Reglers mit hoher Komplexität nicht möglich, muss die Komplexität des Regelalgorithmus reduziert werden. Dies ist dadurch möglich, dass bei der Bestimmung des komplexitätsreduzierten Reglers das ursprüngliche Steckenmodell n-ter Ordnung herangezogen wird.

Beim Erstellen des Streckenmodells werden vorzugsweise höherfrequente Anteile berücksichtigt als in dem implementierbaren Regelalgorithmus. Dies kann, wie oben angeführt ist, dadurch realisiert sein, dass das Streckenmodell in einer höheren Ordnung erstellt wird als der implementierbare Regelalgorithmus. Unabhängig von der Realisierung ist dabei lediglich wesentlich, dass die höheren Frequenzanteile zwar im Streckenmodell aber nicht zwangsläufig auch in dem zu implementierenden Regelalgorithmus berücksichtigt werden.

Vorteilhafterweise kann durch Verändern eines Parameters des implementierten Regelalgorithmus ein Dämpfungsmaß für eine oder mehrere spezifische Eigenschwingungen der Strecke veränderbar sein. Dadurch ist es für den Bediener bei der Inbetriebnahme des Systems möglich, durch Variation weniger Parameter die Pole des geregelten Systems kontinuierlich in Bereich höherer Dämpfung zu verschieben.

In einer speziellen Ausgestaltung kann die Regelstruktur eine leicht veränderte APC-Regelstruktur sein. Somit kann insbesondere für Achsen von Werkzeug-, Produktionsmaschinen oder Robotern ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Dämpfung mechanischer Schwingungen bereitgestellt werden.

Die vorliegende Erfindung wird nun anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert, in denen zeigen:
1 gemessene Frequenzkennlinien einer Regelstrecke;
2 modellierte Frequenzkennlinien der Regelstrecke;
3 einen erfindungsgemäßen Regelkreis gemäß einer ersten Ausführungsform; und
4 einen erfindungsgemäßen Regelkreis gemäß einer zweiten Ausführungsform.
Die nachfolgend näher geschilderten Ausführungsbeispiele stellen bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dar.
Das Verhalten einer zu regelnden Strecke kann durch ihre Frequenzkennlinien ermittelt werden. In dem in 1 dargestellten Beispiel sind die Frequenzkennlinien bezüglich Amplitude und Phase für ein System dargestellt, das in dem gemessenen Frequenzbereich vier Maxima aufweist. Für die Modellierung ist eine Differentialgleichung 10-ter Ordnung notwendig, da neben den vier konjugiert komplexen Polen ein doppelter Pol in Null berücksichtigt werden muss. Entsprechend modellierte Frequenzkennlinien sind in 2 wiedergegeben. Sie entsprechen mit hoher Genauigkeit insbesondere im höheren Frequenzbereich den gemessenen Kennlinien.
Das aufgrund der gemessenen Kennlinien ermittelte parametrische Streckenmodell wird nun in dem Regelkreis für den Antrieb bzw. für die Strecke berücksichtigt. D.h. das Streckenmodell fließt in einzelne Komponenten des Regelkreises ein, wie dies in 3 symbolisch dargestellt ist.
Der in 3 wiedergegebene innere Regelkreis, ein Geschwindigkeitsregelkreis, erhält als Vorgabe eine Sollgeschwindigkeit v_soll. In einer Begrenzerschaltung 1 wird die Sollgeschwindigkeit v_soll in einen Sollstrom i_soll umgewandelt, wobei der Strom auf ein Maximum begrenzt ist. In einem Rückkopplungselement 2 mit einer Übertragungsfunktion G₂(z) wird der Sollstrom i_soll an den Eingang des Regelkreises zurückgekoppelt. Weiterhin wird der Sollstrom i_soll einer Bandsperre 3 und danach einem Stromregelkreis 4 zugeführt. Dabei wird der in den Antrieb, allgemein als Strecke 5 bezeichnet, einzuspeisende Strom k_T × i gewonnen. Aus der Regelstrecke 5 resultiert ein Positions- bzw. Wegsignal x_Last bzw. x_Motor. Dieses Wegsignal wird als Rückkopplungssignal zunächst in einem numerischen Berechnungselement 6 zu einem Geschwindigkeitssignal umgerechnet und anschließend über ein weiteres Rückkopplungselement 7 mit der Übertragungsfunktion G₁(z) negativ an den Eingang zum Sollgeschwindigkeitssignal v_soll zurückgeführt.
In einem äußeren Regelkreis, einem Lageregelkreis, wird das Wegsignal x_Last negativ zu einem Soll-Wegsignal x_soll zurückgekoppelt. Das resultierende Differenzsignal wird in einem Umrechnungselement 8 zur Sollgeschwindigkeit v_soll umgerechnet.
Das gemäß 2 gewonnene Streckenmodell fließt unter anderem in die Komponenten 2, 7 und 8 des Regelkreises ein. Damit kann eine sehr exakte Dämpfung der Eigenfrequenzen der Strecke durchgeführt werden. Das parametrische Streckenmodell lässt sich dabei automatisch oder halbautomatisch berechnen.
Zum Reglerentwurf wird ein Streckenmodell hoher Ordnung, d.h. eine Differentialgleichung hoher Ordnung, herangezogen. Dies ist insofern unproblematisch, als beim Reglerentwurf off-line gearbeitet werden kann. Demgegenüber muss für die Implementierung die Ordnung des Streckenmodell gezielt reduziert werden. Dies ist erforderlich, um der Rechenkapazität des Reglers gerecht zu werden. Durch die Verwendung eines Streckenmodells hoher Ordnung zum Entwurf, das auch bei hohen Frequenzen Gültigkeit besitzt, ist sichergestellt, dass trotz der niedrigen implementierten Ordnung die Pole zum Dämpfen an die gewünschte Stelle verschoben werden können. Die Inbetriebnahme des Reglers erfolgt, indem der Bediener durch Variation weniger Parameter die Pole des geregelten Systems kontinuierlich in Bereich höherer Dämpfung verschiebt.
Die Inbetriebnahme des Regelungssystems kann durch Variation weniger Parameter erfolgen, da das Streckenmodell in dem Regelungssystem berücksichtigt ist. Der Bediener muss nicht für jeden Pol die Dämpfung eigens vorgeben. Vielmehr wurde bereits beim Entwurf die Polvorgabe automatisch bestimmt. Somit wird der Bediener von der Inbetriebnahme größtenteils entkoppelt.
Der innere Regelkreis, d.h. der Geschwindigkeitsregelkreis, kann entsprechend einer zweiten Ausführungsform gemäß der Darstellung von 4 realisiert sein. Dieser Regelkreis besitzt die bekannte APC-Regelstruktur, wobei ein Lastgeber, d.h. ein direktes Messsystem, verwendet wird. Dabei sind die Regelungskomponenten 1, 2 und 3 von 3 durch einen Stromsollwertfilter mit PI-Regler ersetzt. Speziell wird die Sollgeschwindigkeit v_soll einschließlich der rückgeführten Größen einem PI-Regler 10 und anschließend einer oder mehreren Bandsperren 11, 12 zugeführt. Daraus resultiert wiederum der Sollstrom i_soll. Die Anzahl der Bandsperren 11, 12 richtet sich nach der Ordnung des Streckenmodells. Der anschließende Stromregelkreis 4 und die Strecke 5 entsprechen denen des ersten Ausführungsbeispiels gemäß 3. In dem in 4 unteren Rückkopplungszweig ist wiederum das gleiche Umrechnungselement 6 zur Umrechnung des Wegsignals x_Last in eine Geschwindigkeit vorgesehen. Das daran anschließende Rückkopplungselement 17 entspricht prinzipiell dem Rückkopplungselement 7 von 3, jedoch ist in der Übertragungsfunktion G₁'(z) des Rückkopplungselements 17 die spezielle APC-Regelstruktur mit berücksichtigt. Sollen beispielsweise drei Bandsperren realisiert werden, so muss die Übertragungsfunktion sechster Ordnung sein.
Während in dem unteren Rückkopplungszweig die Position zurückgeführt wird, wird in dem oberen in 4 dargestellten Rückkopplungzweig die Drehzahl n_ist zurückgeführt. Ein Schalter 18 sorgt dafür, dass die Drehzahlrückführung abschaltbar ist. Das Abschalten der Drehzahlrückführung ist Voraussetzung für die Anwendung des parametrischen Streckenmodells. Eine Umparametrierung kann nämlich nur erfolgen, wenn die Drehzahlrückführung abgeschaltet ist.
Die Messung eines Motorgebers ist ausreichend, um eine Dämpfung kritischer Eigenfrequenzen zu erreichen. Bei Maschinen im Low-Cost-Segment (beispielsweise Holzverarbeitung) wird in der Regel auf ein direktes Messsystem (Motorgeber) verzichtet, so dass die Maschinen oft durch sehr niedrige Eigenfrequenzen in ihrer Dynamik beschränkt sind. Mit der vorgeschlagenen Regelstruktur können derartige Maschinen jedoch kostengünstig mit erheblich höherer Dynamik betrieben werden.
Mit dem vorgeschlagenen Verfahren können die Parameter des Lage- und Drehzahlregelkreises beeinflusst werden. Somit ist es möglich, bestehende Systemarchitekturen weiter zu verwen den. Die Lageregelung kann auch hier in der übergeordneten Steuerung gerechnet werden. Die vorliegende Erfindung kann dafür genutzt werden, dass die Inbetriebnahme-Software von Antrieben Module zur Identifikation (Frequenzgangmessung), Modellierung und zum Reglerentwurf enthält. Dabei wird das Ergebnis der aus der Identifikation gewonnenen Modellierung beim Reglerentwurf in die Regelstruktur integriert. Weil die implementierbare Reglerordnung in der Regel jedoch geringer sein sollte als die des Modells, muss das Modell vereinfacht und hochfrequente Anteile weggelassen werden. Somit wird ein Regler niedriger Ordnung bestimmt. Dieser Regelalgorithmus niederer Ordnung wird mit Hilfe des kompletten Modells hoher Ordnung nochmals optimiert. Erst der optimierte Regelalgorithmus wird implementiert.

Claims

Verfahren zum Inbetriebnehmen eines geregelten Antriebs durch – Erstellen eines Streckenmodells, das das Frequenzverhalten einer Strecke (5) wiedergibt, in die der Antrieb integriert ist, und – Implementieren eines Regelalgorithmus auf der Basis des Streckenmodells, dadurch gekennzeichnet, dass – das Streckenmodell parametrisch ist und – mindestens einer der Parameter des Streckenmodells verändert wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei aus dem Streckenmodell ein implementierbarer Regelalgorithmus erstellt wird, der anschließend in seiner Komplexität, insbesondere seiner Ordnung, reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 2, wobei der Regelalgorithmus zunächst m-te Ordnung besitzt und mit Hilfe des Streckenmodells n-ter Ordnung zu einer Ordnung kleiner als m reduziert wird, wobei n > m ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei beim Erstellen des Streckenmodells höherfrequente Anteile berücksichtigt werden als in dem Regelalgorithmus.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei durch Verändern eines Parameters des implementierten Regelalgorithmus eine oder mehrere spezifische Eigenschwingungen der Strecke dämpfbar ist/sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Regelstruktur eine Erweiterung der APC-Regelstruktur darstellt.
Verfahren zum Regeln eines Antriebs durch – Berücksichtigen eines Streckenmodells, das das Frequenzverhalten einer Strecke (5), in die der Antrieb integriert ist, wiedergibt, in mindestens einer Regelungskomponente, dadurch gekennzeichnet, dass – das Streckenmodell parametrisch ist und – mindestens einer der Parameter des Streckenmodells veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 7, wobei durch Verändern eines Parameters des implementierten Regelalgorithmus ein Dämpfungsmaß für eine oder mehrere spezifische Eigenschwingungen der Strecke veränderbar ist.
Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, wobei die Regelstruktur eine Erweiterung der APC-Regelstruktur darstellt.
Vorrichtung zum Inbetriebnehmen eines geregelten Antriebs mit – einer Diagnoseeinrichtung zum Gewinnen von Streckendaten über das Frequenzverhalten einer Strecke, in die der Antriebe integrierbar ist, gekennzeichnet durch – eine Recheneinrichtung, mit der aus den Streckendaten automatisch oder teilautomatisch ein parametrisches Streckenmodell berechenbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei mit der Recheneinrichtung aus dem Streckenmodell ein implementierbarer Regelalgorithmus erstellbar ist, der in seiner Komplexität, insbesondere seiner Ordnung, reduzierbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 11, wobei mit der Recheneinrichtung ein Regelalgorithmus m-ter Ordnung mit Hilfe des Streckenmodells n-ter Ordnung zu einer Ordnung kleiner als m reduzierbar ist, wobei n > m ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei beim Erstellen des Streckenmodells in der Recheneinrichtung höher frequente Anteile als in dem implementierbaren Regelalgorithmus berücksichtigbar sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei mit der Recheneinrichtung aus dem parametrischen Streckenmodell ein Regelalgorithmus erstellbar ist, mit dem durch Verändern eines Parameters ein Dämpfungsmaß für eine oder mehrere spezifische Eigenschwingungen der Strecke veränderbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die Regelstruktur des geregelten Antriebs eine Erweiterung der APC-Regelstruktur ist.
Vorrichtung zum Regeln eines Antriebs mit – mindestens einer Regelungskomponente (2, 7, 8), in der ein Streckenmodell, das das Frequenzverhalten einer Strecke (5), in die der Antrieb integrierbar ist, wiedergibt, berücksichtigbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass – das Streckenmodell parametrisch ist und – in der mindestens einen Regelungskomponente (2, 7, 8) mindestens einer der Parameter des Streckenmodells veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16, wobei durch Verändern eines Parameters des Streckenmodells in der Regelungskomponente (2, 7, 8) ein Dämpfungsmaß für eine oder mehrere spezifische Eigenschwingungen der Strecke veränderbar ist.
Vorrichtung nach Anspruch 16 oder 17, die eine APC-Regelstruktur aufweist.